По мере того, как лава разливалась по поверхности Большого острова на Гавайях, беспилотники и Pix4D помогли составить карту катастрофы при извержении вулкана на Гавайях за считанные минуты.
В начале мая произошло извержение вулкана Килауэа на Гавайях. В результате образовалось более десятка новых расщелин с лавой, стекающей в окружающие сельские населенные пункты. Катастрофы такого уровня остров не видел с 1975 года, когда он подвергся сильнейшему землетрясению в штате.
Доктор Райан Перрой из Гавайского университета в Хило и его команда студентов и сотрудников, предупрежденные о потенциальном извержении вулкана благодаря сообщениям Геологической службы США и необычной сейсмической активности, были готовы обозначить на карте поток лавы и помочь смягчить последствия катастрофы.
В течение дня после того, как в зоне крупных разломов Килауэа появилась расщелина с лавой, группа запустила беспилотник, посылающий карты и изображения спасательной команде по требованию Управления гражданской обороны.
Группа по ликвидации аварийных ситуаций
В результате бедствия, затрагивающего такое большое число людей и объектов инфраструктуры, требуется вовлечение групп специалистов из различных областей и организаций, а также учреждений на федеральном, штатном и местном уровнях. Когда с момента извержения пошел второй месяц, Натан Стивенсон из Frontier Precision, инженер-практик по геопространственным данным, работающий в офисе компании в Денвере, вылетел для поддержки команды по фотографической аэрофотосъемке из Гавайского университета в Хило. Стивенсон работал в тесном контакте с командой доктора Перроя из Гавайского университета в Хило, помогая Геологической службе США и Управлению гражданской обороны округа Гавайи.
Стивенсон не в первый раз приезжал на остров и не впервые обозначал на карте потоки лавы. Будучи студентом магистратуры Гавайского университета, Стивенсон собирал данные об извержении вулкана.
«Сейчас у нас есть один прибор, которого не было ранее, — это тепловая радиометрическая камера, которая помогает нам более точно обозначать объекты на карте ночью и позволяет снимать большие тепловые сигнатуры», — говорит Стивенсон.
Прогнозирование направления потока лавы с помощью беспилотников
При извержении лавы из расщелин ее температура может достигать 1200 градусов по Цельсию. С помощью тепловизора можно обнаружить тепловые сигнатуры лавы, просачивающейся немного ниже поверхности земли, давая представление о направлении ее потока.
Перед доктором Перроем и его исследовательской лабораторией по анализу геопространственных данных и визуализации (SDAV) из Гавайского университета в Хило была поставлена задача обозначить на карте расщелины, из которых вытекает лава в сторону объектов инфраструктуры, дорог и домов вокруг сельского населенного пункта в поселке Лейлани в Нижней восточной зоне крупных разломов.
Один главный участок шоссе тщательно контролировался: «Если бы им пришлось закрыть эту единственную дорогу, это сделало бы зону эвакуации намного больше», — объяснил Стивенсон. «Почти каждую ночь мы возвращались, и отмечали, что дорога становилась каждый раз все горячее и горячее».
Большая часть уникального ландшафта Гавайев была поглощена лавой
Трещины и пары появились на поверхности дороги, но населенному пункту повезло — несмотря на предсказания, из расщелины не выливалась лава. Дорога оставалась открытой для движения, трещины в конечном итоге были перекрыты толстыми стальными пластинами, хотя за территорией продолжали постоянно наблюдать.
Тепловое картографирование в ночное время
«Я находился на Гавайях только около двух дней, перед тем, как мы начали летать только в темное время суток», — говорит Стивенсон. «После появления лавы воздушное пространство было закрыто для второстепенного движения — в местном воздушном пространстве не было прогулочных судов или туристов — но все еще воздушное движение было достаточно активным».
Тепловизоры позволяли команде запускать беспилотники ночью и в условиях густого вулканического дыма
Команда из Гавайского университета в Хило получила специальное разрешение от Федерального авиационного управления США на полет в темное время суток и на полет гораздо выше, чем обычно — 305 метров (1000 футов) вместо обычных 122 метров (400 футов). Что было намного выше высоты выброса лавы из расщелин вулкана Килауэа. Большая высота также означала, что для обработки одной и той же области требовалось намного меньше изображений, что позволяло командам собирать данные гораздо быстрее.
К борту беспилотников DJI Inspire прикреплялись прожекторы, делая их видимыми в темное время суток на три морских мили. Наряду с соблюдением требований Федерального авиационного управления США, это также делало беспилотники видимыми для команды.
Помимо того, что они запускались без любых опасений, команда также обнаружила, что при использовании тепловых изображений снимки стали более точными. С целью создания точных карт и моделей изображений, картографическое программное обеспечение Pix4D полагается на поиск сходств между изображениями — одной и той же точки на нескольких изображениях. Изображения, на которых имеется большое количество черного цвета, например, фотографии, сделанные в темное время суток, или фотографии охлажденной лавы, трудно восстановить с помощью программного обеспечения, в то время как тепловые сигнатуры отображают все достаточно четко.
Карта распределения тепловых режимов системы расщелин и потоков лавы
Ночное наблюдение
Стивенсон и команда из Гавайского университета в Хило были единственными, кто наблюдал за лавой с воздуха в ночное время.
«Были команды, проводившие наземные операции, которые постоянно следили за тем, чтобы лава не подкралась к населенному пункту за одну ночь, — говорит Стивенсон, — но, если имеется ввиду наблюдение за лавой с воздуха, т.е. в каком направлении она движется, как быстро движется, с самого начала никто кроме нас не следил за ней в темное время суток». В итоге, Геологическая служба США и Министерство природных ресурсов создали свои собственные команды по запуску беспилотников, которые также запускали в темное время суток.
Эти команды по запуску беспилотников были ключевым ресурсом, и информация, которую они собирали, использовалась властями для принятия решений по вопросам перемещения заграждений на дороге или закрытия дорог.
Топографическая съемка жизненно важных объектов инфраструктуры, находящихся в условиях стихийного бедствия
ГеоТЭС Пуна, или PGV, вырабатывала 25% электроэнергии Гавайев. Электростанция также находилась прямо на пути лавы, которая текла по прямой линии, прямо к силовой установке.
После того, как сотрудники PGV отключили оборудование и переместили запас легковоспламеняющегося пентана в безопасное место, команда из Гавайского университета в Хило запустила свои беспилотники.
Информация о проекте
| Местоположение | Пуна, Гавайи, США |
| Оборудование |
Беспилотники DJI Matrice 200, Inspire 1 и Inspire 2 Тепловизоры DJI Zenmuse XT и XT2 Визуальные камеры DJI Zenmuse X5S и X4 |
| Программное обеспечение | Pix4Dmapper |
| Время полета | 10—30 минут – 1 полет |
| Время обработки | от 15 до 20 минут в режиме быстрой обработки |
«Мы будем летать каждый день», — говорит Стивенсон. «Обычный полет займет всего десять—двадцать минут, а в период простоя мы перейдем в другое место и обработаем данные на игровом ноутбуке в полевых условиях».
Команда смогла запустить беспилотник над вулканическим мусором
Используя режим быстрой обработки Pix4Dmapper, команда получила результаты менее чем за двадцать минут. Режим быстрой обработки является менее точным, но у команды имелось большое количество снимков: «В этом случае не имело значения, находились ли мы в нескольких футах от нее или нет. Мы могли видеть, куда и как движется лава», — сказал Стивенсон. «Мы могли видеть, например, расширялась ли лава впереди, что обычно свидетельствует о замедлении ее распрострарения. Или мы могли видеть, движется ли она по каналу, что означает, что лава будет двигаться очень быстро».
Реконструкция потока лавы, приближающегося к электростанции PGV
Фотограмметрические точки на местности являются одним из лучших инструментов для обеспечения высокого качества реконструкции. Однако команда обнаружила, что на них не всегда можно опираться.
«Для закладки полезных фотограмметрических точек на местности нам следовало были прогнозировать, по какому пути пойдет лава — что иногда срабатывало, а иногда нет», — объясняет Стивенсон. Если даже команда все делала правильно, фотограмметрические точки на местности часто поглощались лавой, которую они пытались измерить.
«Другой большой проблемой была сама земля», — продолжал Стивенсон. «Прошло большое число землетрясений, и это означало, что весь ландшафт переместился. Поэтому, даже если фотограмметрические точки на местности уцелели, мы вернемся и проверим их координаты и обнаружим, что сами координаты изменились». Используя точку доступа Wi-Fi, команда загружала результаты в программу Dropbox для хранения данных жёсткого диска в «облаке», где они могли быть доступны для групп по ликвидации аварийных ситуаций, включая Геологическую службу США, Управление гражданской обороны, Департамент пожарной охраны и мэрию.
По мере того как лава постепенно приближалась к PGV — иногда перемещаясь на 30 метров (100 футов) в час — команда летала днем и ночью, рассчитывая и пересчитывая время, когда лава достигнет электростанции.
«Мы бы наложили ортомозаику на картосновы Исследовательского института геоинформационных систем ESRI и дорожные карты округа. Мы укладываем их в часы и показываем положение лавы в 10, 11, 12 часов», — говорит Стивенсон.
«Прошло намного больше времени, чем мы ожидали, но лава в конце концов достигла электростанции, уничтожив, возможно, 10% от станции», — продолжил Стивенсон. «Довольно интересно то, что лава разделилась на два потока, потекла налево, затем направо и обошла станцию. Лава полностью окружила электростанцию и образовала реку на другой стороне».
В зоне лавы
Лава может двигаться быстрее, чем может бежать человек.
Поскольку извержение происходило уже четвертый − и последний − месяц, безопасность команды оказалась под угрозой. После работы семь дней в неделю в течение нескольких месяцев команда подвергалась риску истощения. Дороги были разрушены, что затрудняло навигацию в зоне бедствия. Ранее безопасные районы могли стать опасными в одно мгновение.
И лава могла двигаться гораздо быстрее, чем человек может бежать.
Геолог проводит ранние утренние наблюдения за лавовым фонтаном и потоком около расщелины трещины 8 в поселке Лейлани
С целью снижения риска возникновения опасности в зоне лавы команда полагалась на хорошее оборудование и своевременную коммуникацию.
У команды имелись детекторы диоксида серы, которые предупреждали о том, что следует надевать противогазы при достижении токсичными газами опасного уровня. Также они имели при себе пожарные радиоприемники, которые (если имелся сигнал) позволяли им общаться с пожарной службой. Пожарная служба координировала вход и выход в зону лавы, обеспечивая учет всего персонала, а неофициальная сеть, включающая людей из разных организаций, проводивших операции на земле, делилась информацией.
У Стивенсона и команды из Гавайского университета в Хило имелось большое преимущество: беспилотники. «Мы использовали много различных беспилотных летательных аппаратов для определения безопасного пути. Лава могла быстро перекрыть выход, поэтому мы посылали беспилотник, чтобы решить, является ли дорога безопасной или нет, следует нам вернуться назад или найти новую дорогу».
Команда запускала беспилотник в ручном режиме, отслеживая лаву посредством прямой трансляции.
«Приближение лавы всегда было проблемой, но никогда не становилось реальностью», — говорит Стивенсон. «Мы всегда знали, где находится лава, мы всегда отслеживали небо при помощи беспилотников, и мы также постоянно общались с людьми, проводящими наземные операции, чтобы убедиться, что лава не подкралась к нам сзади».
Защита населенных пунктов от бедствий
Через месяц после извержения две дюжины расщелин с лавой распространились почти как идеальная линия вдоль нижней восточной зоны крупного разлома Гавайев. Некоторые расщелины нанесли минимальную степень разрушения, извергая количество лавы, достаточное для покрытия двух футбольных полей перед охлаждением. Но расщелина 8 начала выходить на поверхность фонтаном, выбрасывая в воздух расплавленную породу высотой до 90 метров (300 футов) и в конечном итоге создавая большой и быстро движущийся поток лавы.
Лава покрывает дорогу, разрушая линии электропередач
С целью сведения к минимуму риска для здоровья людей и имущества, Стивенсон и команда из Гавайского университета в Хило часто направлялись в то место, которое называлось группами по ликвидации чрезвычайных ситуаций «зоной лавы».
В зависимости от того, какой имелся уровень информационно-коммуникационной инфраструктуры, команда могла отправлять XYZ-координаты движения лавы в пожарную часть по сетям с очень слабым сигналом. В некоторых местах «зоны покрытия сотовой связи были мертвыми. Эти зоны были достаточно сельскими, при этом лава выбила несколько вышек сотовой связи».
Лава покрывает дорогу и линии электропередач
Координаты переносились на цифровые и бумажные карты, а информация распространялась среди более широкой группы по ликвидации аварийных ситуаций.
После ночей работы, продвижения расщелины 8 без признаков замедления поселок Лейлани был полностью эвакуирован. Область, где работали Стивенсон и команда из Гавайского университета в Хило, в конечном итоге была покрыта лавой.
Последствия катастрофы
Лава после извержения вулкана Килауэа нанесла ущерб сотне домов. То, что не было сожжено, затвердело и превратилось в камень. До того, как извержение закончилось, оно разрушило 716 домов, причинило ущерб в сумму не менее 800 млн. долларов США и полностью заполнило самое большое естественное пресноводное озеро на Гавайях.
Карты, созданные Стивенсоном и остальной частью команды из Гавайского университета в Хило, не смогли предотвратить катастрофу, но они помогли смягчить некоторые из ее последствий, предоставляя актуальную информацию по мере развития ситуации.